Fig. 1 (a) Schema in sezione trasversale e (b) micrografia ottica in pianta del MOSFET Ga2O3 verticale. Credito:Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT)
I ricercatori dell'Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e delle comunicazioni (NICT) e dell'Università di agricoltura e tecnologia di Tokyo (TUAT) dimostrano un Ga verticale 2 oh 3 transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) che adotta un processo impiantato a ioni sia per il drogaggio di tipo n che di tipo p, aprendo la strada a nuove generazioni di Ga . a basso costo e altamente producibili 2 oh 3 dispositivi elettronici di potenza.
L'elettronica di potenza si occupa della regolazione e della conversione dell'energia elettrica in applicazioni quali azionamenti di motori, veicoli elettrici, Centri dati, e la griglia. Dispositivi elettronici di potenza, vale a dire raddrizzatori (diodi) e interruttori (transistor), costituiscono i componenti principali dei circuiti elettronici di potenza. Oggi, i dispositivi di potenza in silicio (Si) sono il mainstream ma si stanno avvicinando a limiti prestazionali fondamentali, rendendo i sistemi di alimentazione commerciali ingombranti e inefficienti. Una nuova generazione di dispositivi di potenza basati sull'ossido di gallio semiconduttore a banda larga (Ga 2 oh 3 ) dovrebbe rivoluzionare l'industria dell'elettronica di potenza. Ga 2 oh 3 promette drastiche riduzioni delle dimensioni, il peso, costo, e il consumo energetico dei sistemi di alimentazione aumentando sia la densità di potenza che l'efficienza di conversione di potenza a livello di dispositivo.
La dimostrazione innovativa del primo Ga . monocristallo 2 oh 3 transistor di NICT nel 2011 ha galvanizzato un'intensa attività di ricerca internazionale sulla scienza e l'ingegneria di questo nuovo semiconduttore a ossido. Negli ultimi anni, lo sviluppo di Ga 2 oh 3 transistor si è concentrato su una geometria laterale. Però, i dispositivi laterali non sono suscettibili alle alte correnti e alle alte tensioni richieste per molte applicazioni a causa delle ampie aree del dispositivo e dei problemi di affidabilità derivanti dall'autoriscaldamento e dalle instabilità superficiali. In contrasto, la geometria verticale consente azionamenti a corrente più elevata senza dover ingrandire le dimensioni del chip, gestione termica semplificata, e terminazione di campo di gran lunga superiore. Le proprietà di un interruttore a transistor verticale sono progettate introducendo due tipi di impurità (dopanti) nel semiconduttore:drogaggio di tipo n, che fornisce portatori di carica mobili (elettroni) per trasportare corrente elettrica quando l'interruttore è in stato on; e doping di tipo p, che abilita il blocco della tensione quando l'interruttore è spento. Un gruppo al NICT guidato da Masataka Higashiwaki ha aperto la strada all'uso del Si come drogante di tipo n in Ga 2 oh 3 dispositivi, ma la comunità ha lottato a lungo per identificare un drogante di tipo p adatto. All'inizio di quest'anno, lo stesso gruppo ha pubblicato sulla fattibilità dell'azoto (N) come drogante di tipo p. Il loro ultimo risultato riguarda l'integrazione del drogaggio Si e N per progettare un Ga 2 oh 3 transistor per la prima volta, attraverso un processo di introduzione di drogante ad alta energia noto come impianto ionico.
Fig. 2 (a) Uscita DC e (b) caratteristiche di trasferimento del MOSFET Ga2O3 verticale. Credito:Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT)
"Il nostro successo è uno sviluppo rivoluzionario che promette un impatto trasformativo su Ga 2 oh 3 tecnologia del dispositivo di alimentazione, " disse Higashiwaki, Direttore del Green ICT Device Advanced Development Center presso NICT. "L'impianto ionico è una tecnica di fabbricazione versatile ampiamente adottata nella produzione di massa di dispositivi a semiconduttore commerciali come i MOSFET in silicio e carburo di silicio (SiC). La dimostrazione di un Ga 2 oh 3 transistor migliora notevolmente le prospettive per Ga 2 oh 3 elettronica di potenza".
Questo studio, pubblicato il 3 dicembre nel Lettere del dispositivo elettronico IEEE come un articolo online ad accesso anticipato e programmato per la pubblicazione nel numero di gennaio 2019 della rivista, si basa su un precedente in cui è stato utilizzato un drogante accettore diverso. "Inizialmente abbiamo studiato il magnesio per il doping di tipo p, ma questo drogante non è riuscito a fornire le prestazioni previste poiché si diffonde in modo significativo a temperature di processo elevate, " disse Man Hoi Wong, un ricercatore del Green ICT Device Advanced Development Center e l'autore principale dell'articolo. "Azoto, d'altra parte, è molto più stabile termicamente, creando così opportunità uniche per la progettazione e la progettazione di una varietà di Ga . ad alta tensione 2 oh 3 dispositivi."
il Ga 2 oh 3 il materiale di base utilizzato per fabbricare il MOSFET verticale è stato prodotto mediante una tecnica di crescita dei cristalli chiamata epitassia in fase vapore di alogenuri (HVPE). Pioniere dei Proff. Yoshinao Kumagai e Hisashi Murakami al TUAT, HVPE è in grado di coltivare Ga . monocristallino 2 oh 3 pellicole ad alta velocità e con bassi livelli di impurità. Sono state eseguite tre fasi di impianto ionico per formare i contatti di tipo n, canale di tipo n, e strati di blocco della corrente di tipo p (CBL) nel MOSFET. Il dispositivo ha mostrato proprietà elettriche decenti inclusa una densità di corrente di 0,42 kA/cm 2 , una resistenza specifica all'inserzione di 31,5 mΩ·cm 2 , e un elevato rapporto di attivazione/disattivazione della corrente di drain maggiore di otto ordini di grandezza. Ulteriori miglioramenti nelle sue prestazioni possono essere facilmente ottenuti con una migliore qualità del dielettrico del gate e schemi di drogaggio ottimizzati.
Secondo Higashiwaki e Wong, "I dispositivi di alimentazione verticale sono i contendenti più forti per combinare correnti superiori a 100 A con tensioni superiori a 1 kV, i requisiti per molti sistemi di alimentazione elettrica industriali e automobilistici di media e alta potenza". L'impatto tecnologico di Ga 2 oh 3 sarà sostanzialmente sostenuto dalla disponibilità di substrati nativi cresciuti allo stato fuso, uno dei principali fattori abilitanti dell'industria del silicio che domina il mercato globale dei semiconduttori con un fatturato annuo di diverse centinaia di miliardi di dollari USA. "La commercializzazione di dispositivi di potenza verticali in SiC e nitruro di gallio (GaN) ha, in una certa misura, stato ostacolato dall'alto costo dei substrati. Per Ga 2 oh 3 , l'alta qualità e le grandi dimensioni dei substrati nativi offrono a questa tecnologia emergente rapidamente un vantaggio di costo unico e significativo rispetto alle tecnologie SiC e GaN a banda larga esistenti, " hanno spiegato i ricercatori.
